高速铁路站场接触网辅助设计关键技术研究与开发

李 欢，何朝明，崔焕星，李 靖

(西南交通大学 机械工程学院，成都 610031)

接触网是沿电气化铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，电气化铁路运营的可靠性主要取决于牵引供电设备的实用性和可靠性，因此对架空接触网系统的要求特别高。在传统的接触网平面布置设计中，设计人员往往采用手工布置的方式，不仅耗费大量人力和物力，错误率还普遍偏高。尤其是在站场附近，由于线路错综复杂，线路交汇形成的道岔、桥梁、站台等一系列因素使得站场附近的接触网布置十分繁琐。国内外很多学者利用了各种方式对简化接触网设计做了大量的研究[1～4]，其中，有基于AutoLisp接触网平面设计系统，有基于ObjectARX在VC平台上的接触网智能设计系统，有利用ObjectARX和Visual Lisp开发的接触网CAD应用系统等。

当前AutoCAD的二次开发工具主要有：VisualLisp、VBA、ObjectARX和.NET API等。其中VisualLisp和VBA较为简单，特别是VBA，使用方便且开发速度较快，但其功能相比Object-ARX有所不足，尤其是面向对象的功能支持不好。而ObjectARX是基于VC平台，在C++的支持下，其功能非常强大，可以很好地运用各种面向对象技术，但其缺点是开发速度较慢，对开发人员要求较高。而基于.NET平台对AutoCAD的二次开发，可以充分利用.NET的各种优势，在保证C++的强大功能的前提下又具有VBA的开发速度，是目前较理想的AutoCAD二次开发工具。论文研究高速铁路站场接触网辅助设计关键技术，提出利用ObjectARX在.NET平台上对AutoCAD2008进行二次开发方法，解决了接触网布置中支柱布置和锚段划分中的关键问题，在满足接触网需求的前提下简化系统开发周期和难度。

1 高速铁路站场接触网辅助设计功能

针对高速铁路接触网布置的复杂性，系统设定支柱布置、锚段划分、中心锚结确定、生成附加导线等主体业务流程，然后再计算拉出值、绘制设备、生成信息表和统计表等附加业务流程。

（1）进行数据初始化，初始化数据包括接触网设计参数的初始化、线路数据识别、桥隧涵等特殊地段数据的导入等；

（2）进行接触网支柱的布置，支柱布置是接触网最重要的部分；

（3）根据不同的布置准则，支柱布置可分为站场正线、站线、桥、隧道、涵洞支柱布置；

（4）锚段划分和中心锚结在一个模块，锚段划分以后自动进行中心锚结绘制，并生成附加导线（AF、PW线）。

整理高速铁路接触网平面布置设计工作，辅助设计系统流程如图1。

（1）数据初始化，支柱布置参数，桥涵等数据导入，线路拾取等；

（2）支柱布置，布置单条线路支柱，以这条线路上的支柱为基准支柱，以这条线路为基准线路；

（3）支柱修改，对基准线路上的基准支柱进行修改，包括增加、删除支柱和调整支柱位置；

（4）支柱对称，以修改好的基准线路为对称基准，布置整个站场所有线路的支柱；

（5）支柱修改，首先对不满意的支柱进行修改，然后修改双肩挑，双腕臂支柱以及硬横跨，也可以对局部区域内的支柱进行整体修改，包括局部对称、局部修改支柱数目等功能，修改完成以后再对支柱进行编号和标注跨距；

（6）锚段划分，可以选择单线锚段划分和全线锚段划分，锚段划分的结果依据锚段划分参数而变化，锚段划分完成后自动确定中心锚结，可对锚段位置进行修改；

（7）生成附加导线，由输入的导线间距和附加导线锚段长度来生成附加导线AF和PW线，可以对附加导线进行修改；

（8）生成拉出值，确认曲线处五跨非绝缘关节和绝缘关节拉出值选用表以后，根据表中内容生成拉出值，可对拉出值进行修改；

（9）设备绘制，绘制避雷器、隔断开关、分段绝缘器等关键设备；

（10）生成信息表，包括支柱基础编号、支柱类型、硬横跨类型等；

（11）生成统计表，包括《避雷器设备表》、《道岔表》等。

2 高速铁路站场接触网辅助设计关键技术与实现

2.1 高速铁路站场线路识别

图1 系统流程图

站场平面接触网布置的难点在于线路识别，站场线路数量大、道岔点多、正线和站线之间相互

过渡等诸多因素对接触网设计结果起到决定性的作用，合理的线路识别技术，决定了后续工作的难易程度。

2.1.1 C AD图纸中的线路情况分析

在高速铁路CAD图纸中，线路包含直线、圆弧、多段线和样条曲线4种线型。其中，样条曲线在铁路上不予采用，在这里不做考虑；直线包含起点坐标、终点坐标、线路长度和角度等属性；圆弧包含起点和终点坐标、弧长、半径、凸度等属性；多段线包含起点和终点坐标、多段线长度以及组成多段线的所有线信息等属性。由于在图纸设计过程中，绘图人员并不是完全按照标准绘制图纸。这样导致两个问题：（1）在一条有多个线段的线路中，并不是所有线路都是按照从左到右的标准绘制，点画线的方式不同，起点和终点不同，左边端点并不一定是起点，而右边端点并不一定是端点；（2）由于绘图人员的疏忽，需要相交的线路放大之后并没有相交在一起或者交点不正确，出现绘图容差，导致线路不连续。

2.1.2 传统线路识别方式的弊端

传统的CAD系统线路识别采用对线路进行赋扩展数据的形式，把所选的线路统一进行赋“正线（站线）N”的扩展数据，这就导致了在后面的工作中难度增加。比如，在添加支柱的时候需要在离“正线（站线）N”左端点处m米添加一个支柱，首先在遍历当前图纸空间中所有的实体，找到带有扩展数据为“线路N”的所有线路集，然后根据从左到右的顺序进行排序，从第1个线路左端点开始沿线上距离找点，必须考虑图纸起点终点的关系，导致计算线上距离时必须对起点终点进行判断，是否是线路总长减去一定量的长度，还是线路左端点到右端点一定量的长度，这使得程序复杂度增加。如果遇到线路不连续的情况，传统方法根本无法处理。如果不对传统的线路识别方式进行改进，则需要花相当大的精力处理获取线路、线路连续性和起点终点等问题。

2.1.3 多段线方式的优势

为了解决传统线路识别的弊端，在用户手工选取“正线（站线）N”上所有线路的同时，对所选的线赋扩展数据“正线（站线）N”，然后对所选线路进行多段线转换，把转换成的多段线存入“PolyLine”图层，并给多段线赋“正线（站线）N”的扩展数据。采用该方式能很好地解决传统方式所不能解决的线路获取问题和绘图容差问题，并降低系统复杂度和缩短系统运行时间。

2.2 基于实体属性的数据驱动技术

系统是基于数据驱动实现的，所谓数据驱动技术，即将系统各个流程所需的数据都存入图纸，使整个系统流程不会因为其他原因导致前面的操作结果数据丢失，在后续流程中只需读取当前图纸，即可获得所需的数据信息，该方法提高了系统的鲁棒性和运行效率。数据驱动的关键在于数据存储，数据存储技术包括初始数据存储技术和支柱数据存储技术。

2.2.1 初始数据存储

初始数据存储包括设备参数数据存储和线路数据存储；设备参数数据包括：支柱布置参数、支柱类型参数、下锚类型参数、统计表和信息表参数。线路信息包含：桥、隧、涵、信号机等信息，该信息通过外界Excel导入获得，并和设备参数数据一并存入系统默认路径下的“数据初始化.xls”中，方便以后对数据的修改和读取。

2.2.2 支柱数据存储

支柱布置完成之后，后续流程需要多次利用支柱数据，支柱以图块的形式存放在“Trut”图层中，并为每个支柱块写25个扩展记录，包括支柱所在坐标、支柱所属线路、支柱编号、支柱ID等信息。在后续的流程中只需要在“Trut”层中找到相应的支柱块，读取所需的信息。

2.3 线路支柱布置算法

线路支柱布置包括正线支柱布置和站线支柱布置，由于在实际过程中设计人员往往凭经验去布置支柱，就导致了程序自动布置往往达不到专业人员的水平，所以必须建立一套算法布置支柱，使得布置出来的效果接近专业人员水平，专业设计人员布置支柱的基本准则如下：

（1）正线支柱布置时，线路有桥，先满足桥支柱布置；

（2）线路没桥，先布置道岔附近支柱，道岔附近两根支柱必须按内外侧布置；

（3）从左端最外道岔处开始布置，且左右最外道岔外的区间按照标准跨距布置；

（4）道岔内区间按照区间长度布置，如果区间长度很长，则在满足道岔附近支柱以后，先按道岔向外一二跨布置支柱，剩余的区间用标准跨距布置，其中尽量使跨距满足跨距比，且只能有一个跨距为小数，其余均为整数；

（5） 如果区间长度不能满足布置道岔向外一二跨，则不必布置第一二跨支柱，只需满足内外侧支柱，将剩余的区间用标准跨距布置，如果剩余区间很小，则可以考虑将剩余区间平分布置，且要满足只有一个跨距为小数的标准；

（6）站线支柱布置原理同正线，只是道岔内外侧长度以及站线道岔点的判断方式与正线不同。

2.4 桥支柱布置算法

桥支柱布置准则如下：

（1）如果线路在桥上，则需遵循桥的支柱布置准则；

（2）获取桥梁数据信息，包括桥主表和桥墩表两个Excel；

（3）桥由连续梁和箱梁组成，两种梁布置方式不同，其中，箱梁必须按照箱梁支柱布置准则布置，而连续梁只需满足梁缝上左右4 m处不允许布置支柱外，其他地方可以根据跨距任意布置；

（4）如果桥上有道岔，先满足道岔处的支柱布置，再满足普通桥支柱布置。道岔处支柱布置同普通正线道岔处支柱布置准则相同。

2.5 支柱对称算法

为了满足支柱基本对称的需求，设计了支柱对称模块，模块基本流程如下：

（1）选择基准线路，获取该线路上所有支柱布置点，选择需做对称的线路，在需做对称的线路上找到与基准线路支柱布置点对称的点；

（2）提出避让区间概念，即避让区间内支柱暂时先不布置支柱，避让区间外的按照对称的关系获取支柱布置点；

（3）设计避让区间内支柱布置。

避让区间内支柱布置算法：

（1）正线避让区间找点；两种情况：区间只有一个道岔点；区间多个道岔点。这里与支柱布置模块的算法不同的是，避让区间的起点与终点不是线路端点，而是距离道岔左端、右端最近的支柱点，道岔点与道岔点之间的区间按照支柱布置算法找点，道岔点与支柱点的区间按照优先布置道岔点处支柱（包括内外侧支柱以及第一二跨支柱，第一二跨支柱必须在外侧的情况），然后对剩余线上距离用剩余区间支柱点布置。

（2）站线避让区间找点：和正线一样分为两种情况，但是避让区间的起点和终点不是道岔的左边（右边）最近支柱点，而是线路的端点。这里设计程序的时候做了个判定，如果区间起点在正线上，则从区间第2个点开始找支柱点，如果不在正线上，则从区间起点开始找支柱。

3 实例

对某高速铁路站场平面CAD图纸进行接触网设计，按照系统功能流程，生成图2的接触网设计结果。该站场一共有10条线路，包括：2条正线、5条站线和3条渡线。通过本系统对站场平面CAD图纸进行接触网设计，设计时间不超过10 min，与该站场的传统接触网设计的一周时间相比，缩减设计时间，并满足设计准则。

图2 某高铁路专站场接触平面布置图

4 结束语

系统利用.NET平台结合ObjectARX对Auto-CAD2005进行二次开发，针对高速铁路站场平面接触网开发出辅助设计系统，在基本满足设计人员设计准则的前提下，具有自动布置支柱、划分锚段、生成安装图等一系列功能，减少接触网设计时间。在实际运用中，由于本系统只是对设计人员提供辅助功能，在特殊地方还需要根据设计人员的经验进行适当的调整。

系统中提出的转换多段线、数据驱动、支柱布置和支柱对称算法以及桥处理方式都是其他接触网设计系统没涉及的，实际证明，本系统所提出的方法可行，并取得了良好的效果，期待本系统中提出的方法对其他CAD系统的开发能有一定的借鉴作用。

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